摘要：

脓毒症具有患病率高、病死率高、治疗费用高等特点，迄今为止仍是危重症亟需解决的重大难题。其病理生理特点也未完全阐明。尽管如此，但近年来在改善脓毒症休克和多脏器衰竭的生存率方面仍取得了一些新进展。ATP敏感的钾通道（K_ATP）就是其中之一。K_ATP是心血管应激反应中起关键作用的离子通道，在脓毒症的发生发展中至关重要。目前认为，过度激活血管K_ATP会导致脓毒症休克时的低血压和血管对儿茶酚胺的低反应性。据此，有许多研究者提倡通过阻断血管上的K_ATP来治疗脓毒症。然而，在脉管系统外，该通道开放又可减轻细胞损伤。因此，在总体上如何把握K_ATP在脓毒症中的作用，仍有待探讨。本文拟对K_ATP通道在脓毒症中的作用作一综述。

关键词：ATP敏感钾通道；脓毒症；血管低反应性；钾通道开放剂

Abstract：

Sepsis and septic shock present the leading challenges in intensive care units, characterized by high morbidity, mortality, and costs. The pathophysiological mechanisms remain to be fully elucidated. Nevertheless, new discoveries have made great improvements in the high mortality conditions of shock and multi-organ failure. ATP-sensitive potassium channel (K_ATP) is an ion channel critical to the cardiovascular stress response. Excessive activation of K_ATP is now recognized as a major cause of hypotension and vascular hypo-responsiveness to catecholamine in septic shock. Some researchers found that inhibition of these channels remains an attractive option to treat excessive vasodilation during systemic inflammation. However, channel opening may protect cells from damage outside the vasculature. Therefore, future studies are warranted to clarify the role of K_ATP in sepsis. In this review, we summarize the role of the K_ATP in sepsis.

Keywords: ATP-sensitive potassium channel; sepsis; vascular hyporesponsiveness; K⁺ channel opener

脓毒症是创伤、休克、感染、大手术等临床危重患者的严重并发症之一，也是诱发脓毒症休克和多器官功能衰竭（MOF）的重要原因。其发病机制复杂，对机体组织器官的损伤明显、治疗也很困难，因而成为世界性的难题。

1.      脓毒症休克和多脏器衰竭的病理生理变化

疾病相关的基因和细胞因素使得感染在某些特定人群中可引发过度的炎症反应。微生物组分通过结合至血浆中可溶性的膜结合蛋白而激活白细胞、内皮细胞、血小板和凝血通路[1]。病原相关分子模式（细胞壁组分、毒素、超抗原和细菌DNA）通过结合至Toll样受体和其它识别受体，进而激活核转录因子，如NF-κB[2]。转录因子使促炎因子的基因表达上调，包括细胞因子，如肿瘤坏死因子（TNF）α、白介素（IL）-1和IL-6；以及酶，如诱导性一氧化氮合酶（iNOS）以及环氧化酶-2（COX-2）[3]。这些病原因素通过刺激内皮细胞内的花生四烯酸产生前列腺素、血栓烷和白三烯；活化的中性粒细胞产生和释放大量蛋白酶、过氧化氢和活性氧物质[2]。其最终结果导致血管通透性增加，渗出到血管外的液体、血浆蛋白和活化的中性粒细胞增加，产生微凝血病并使微血管张力改变。促炎介质以及继发于低血容量、间质水肿和血流的重新分布的组织低氧之间的协同作用会进一步减少线粒体能量的产生并降低代谢；在临床上则表现为各器官的功能异常[1]。

脓毒症所导致的机体重要脏器的功能衰竭，在心血管方面的表现就是脓毒症休克，其特征为组织灌注不良和对足量液体复苏无反应的严重低血压。低血压源自血管过度扩张、血管低反应性（如对儿茶酚胺反应性降低）和不同程度的心肌抑制[1,2]。血管低反应性的发生机制包括一氧化氮（NO）通路、钾通道的过度激活以及循环内血管加压素减少[3]。在给予一氧化氮合酶（NOS）抑制剂[4]或血管加压素[3,5]后儿茶酚胺的用量常可减少，而这些作用中的部分则是由血管平滑肌K_ATP关闭所介导的。

2. K_ATP通道的结构和功能

K_ATP通道是由Noma于1983年在心肌细胞中发现。在胰岛β细胞、骨骼肌细胞、血管与非血管平滑肌细胞和神经细胞等多种细胞中也有发现[6]，在中枢神经系统中也有广泛分布。K_ATP通道属于内向整流K⁺通道，由两个完全不同的亚单位构成，即磺酰脲受体（SUR）和属于Kir6.0家族的通道形成亚单位[7]。该通道的化学结构包括Kir6.0亚单位四聚体，形成K⁺选择性通道，由四个具有不同功能的SUR蛋白包绕[6,8]。Kir6.0为内向整流/ATP通道家族成员，含2个跨膜螺旋，其侧端有一个富含Gly-Phe-Gly或Gly-Tyr-Gly的序列片段，该片段为K⁺选择性通道所共有。其第二跨膜螺旋决定内向整流程度。Kir6.0形成K_ATP通道的中心孔道，其跨膜功能区的氨基酸序列与电压门控离子通道的H₅或P区同源，具有ATP结合抑制点，控制K_ATP通道对K⁺的选择性，也是ATP感受器的作用位点。SUR含有对磺脲类和K⁺通道开放剂具有高亲和力的结合位点和核苷酸结合位点[7]，为ATP结合盒(ATP-binding Cassette, ABC)的超家族成员，可分为SUR₁、SUR_2A和SUR_2B三种，有三个疏水结构域TM₀、TM₁、TM₂，其中TM₁和TM₂为核苷结合区。现已证实，SUR₁是K_ATP通道对ATP、ADP等敏感的调节亚单位。在SUR_2A上有两个核苷酸结合域(nucleotide binding domains，NBD₁和NBD₂)，NBD₂水解ATP的速度为NBD₁的两倍。ATP酶的活动依赖Mg²⁺参与，但对喹巴因、寡霉素、左旋咪唑均不敏感，当NBD₂上的K1348A和D1469N两个位点突变后， ATP酶的活性减弱，使通道对ATP的敏感性增强。一定浓度的与SUR偶联的K_ATP开放剂可增加ATP酶的活性，但高浓度反而会使酶活性下降。这些结果表明，K_ATP通道也是内生性ATP酶活性调节的酶依赖性核苷调节通道（通过SUR亚基）。该类通道通过形成亚单位，再通过此通道调控K⁺内流，当ATP结合于此位点时可抑制该通道。值得一提的是，血管平滑肌K_ATP通道（亦K_NDP通道）和常规的K_ATP通道不同，对ATP并不敏感。然而，此通道仍可被NDPs活化且被硫脲类（如格列本脲）抑制[8]。其关键的代谢活性蛋白包括参与ATP合成的糖分解酶，存在于K_ATP通道的巨分子复合物中，且在通道附近维持高ATP/ADP的比率中起关键作用[9]。

K_ATP通道激活或抑制的因素归纳于表1中。

3. K_ATP通道的激素调节

    已知血管活性药物可以调节K_ATP通道的活性。血管扩张药增加cAMP（包括降钙素基因相关多肽（CGRP）、腺苷和前列环素）、激活K_ATP电流、产生格列本脲敏感的开放和低血压。通道激活包括PKA和位于SUR_2B和Kir6.1的位点的同时磷酸化。增加cGMP的药物也能激活血管平滑肌和心肌细胞的K_ATP通道，这个过程可能涉及cGMP依赖的激酶或Ras和丝裂源活化蛋白激酶激酶。然而，在生理条件下，这些药物很少通过NO介导血管舒张。相反，血管收缩剂例如血管加压素、内皮素和血管紧张素II通过激活蛋白激酶C和增加ATP合成而抑制离体心肌细胞的K_ATP电流。

4.钾通道在脓毒症中的作用

K⁺通道对动脉平滑肌细胞的膜电位和动脉血管张力起重要的调节作用。K⁺离子外流的增加和细胞膜的超极化可激活K⁺通道，接着引起电压门控钙（Ca²⁺）通道关闭增加并降低Ca²⁺内流。细胞内Ca²⁺浓度的降低引起血管平滑肌细胞收缩功能的降低和反应性降低。目前，已经发现四种血管K⁺通道，亦即电压依赖的K⁺通道、Ca²⁺激活的K⁺通道、内向整流K⁺通道和K_ATP通道。血管舒张休克状态中K_ATP通道的作用已被阐明[6]。血管平滑肌中K_ATP通道对细胞代谢变化起反应。在低氧状态下（例如，收缩性酸中毒、细胞ATP浓度降低和血浆乳酸水平增加），该通道活化增加，随之发生血管舒张且引起低氧状态下的血流增加[6]。脓毒症和脓毒性休克的特征是无氧代谢和全身酸中毒[10]。因此，如果血管平滑肌中的K_ATP通道被广泛活化，即可引起血管舒张和血管反应性降低[3]。K_ATP通道的激动剂包括血管活性物质，例如NO、CGRP、前列环素和腺苷[6,11]。据报道，内毒素引起K_ATP通道活化，接着通过iNOS通路使大鼠肠系膜动脉的血管反应性降低[12]。在内毒素大鼠中，阻断K_ATP通道会抑制iNOS的表达。磺脲类为口服降糖药，且已知其可抑制K_ATP通道。因此推测给予硫脲类，如格列本脲和格列吡嗪可拮抗脓毒症引起的全身性低血压[13]。

4.脓毒症的K_ATP通道活化的机制

4.1 一氧化氮/环鸟苷酸（cGMP）通路

内毒素引起的低血压和血管低反应性大部分可归因于血管壁内源自iNOS的NO的过度产生。脓毒症患者中NO的含量增加，且与平均动脉压和全身血管抵抗成负相关[14]。iNOS的活化仅限于人类，且主要发生于感染时的血管内或是中性粒细胞中。源自iNOS的NO并不是人类脓毒症时的唯一的NO来源[14]。脓毒症时患者对NO的敏感性增加[4]，NO可激活可溶性鸟苷酸环化酶并且可增加cGMP，或者可与超氧化物起反应形成过氧亚硝酸物，此物质的活性强于NO，可以使酪氨酸残基硝基化且可与巯基和含铁蛋白起反应。

短期内（<6小时）NO/cGMP通路的活化可激活K_ATP通道。据观察，NOS或鸟苷酸环化酶抑制剂可完全逆转内毒素引起的低反应性或膜超极化，且K_ATP通道具有类似的效应[15,16]。外源性NO不能使通道持续活化，表明iNOS通路可产生其它的或是更稳定的与NO共同起作用的因子。同样的，NO介导的K_ATP通道的开放需要先进行内毒素干预或是形成过氧亚硝酸物。此外，NO和/或超氧化物产生增加会抑制神经钙蛋白的活性[16]，导致K_ATP通道的过磷酸化并引起正常ATP水平下K_ATP通道的开放。

4.2 降钙素基因相关多肽（CGRP）

CGRP为含37个氨基酸的多肽，存在于感觉神经末端中，散在存在于大部分动脉血管床的血管舒张神经中，并以神经递质的形式起作用。CGRP与脓毒性休克的病理生理过程相关，在休克患者和动物的血浆中含量增加，并与疾病的严重性相关[17]。此外，给予受体拮抗剂（hCGRP）可瞬间逆转内毒素血症大鼠的心动过速和低血压。CGRP通过PKA介导的磷酸化激活血管K_ATP通道[8]。格列本脲可部分逆转体内和体外大部分暴露于CGRP的血管的舒张[11]。K_ATP通道的其它神经激素激活剂，包括心房尿钠肽和腺苷，在脓毒症时亦有增加，同样可逆转血管舒张[18]。

4.3 肌动蛋白骨架

肌动蛋白骨架以多聚（F）和非多聚（G）的球形肌动蛋白形式组成，代表了细胞内约50%的总蛋白含量。F和G肌动蛋白以动态的能量依赖的形式流动，并可控制血管收缩性、细胞运动和包含K_ATP通道在内的多种离子通道[19]。在血管平滑肌中，由GTP酶形成肌动蛋白骨架，RhoA为维持血管收缩的主要的通路。因为cGMP抑制RhoA，在脓毒症时该通路被下调，并引起不可逆的血管低收缩性。

肌动蛋白解聚可增加心肌中的K_ATP通道的开放，削弱硫脲类的抑制作用，且可削弱血管平滑肌中格列本脲结合至SUR的高亲和力[20]。同样地，代谢应激可能通过Mg²⁺ADP抑制SUR结合[6]，该特征与体内体外脓毒症发生时SUR抑制剂格列本脲引起的效应类似[12,15]，但与特定的通道阻断剂PNU37883A引起的效应不同。该机制有助于解释具有不同作用位点的K_ATP通道抑制剂之间的差异。因为肌动蛋白骨架的正常装备和维持有赖于ATP依赖的多聚反应，脓毒症时因能量降低而发生骨架断裂[21]。NO可抑制线粒体呼吸，使包括肾脏、肝脏和小肠集合淋巴结在内的不同细胞类型的肌动蛋白骨架断裂[22]。牛主动脉和肺血管内皮细胞经过内毒素或TNFα处理后，肌动蛋白骨架亦发生断裂[23]。

4.4 线粒体K_ATP通道和器官功能异常

在脓毒症患者和动物中，线粒体发生肿胀和扭曲，且基质碎裂，这些改变与细胞氧化能力降低相关[24]。基质含量是线粒体代谢的重要调节因素[25]。在生理条件下，持续的K⁺内流伴随着阴离子和水的跨膜运动。为维持线粒体的完整性，K⁺通过K⁺/H⁺交换转运至基质外。线粒体K_ATP通道有助于线粒体K⁺内流[26]。KCOs以K⁺依赖的方式增加基质含量，然而，格列本脲和ATP抑制线粒体水肿。基质含量的增加可通过保留膜间空间的结构和功能和保持外膜对ADP和ATP的低通透性使线粒体免受缺血性损害[25]。然而，线粒体K_ATP通道过度的开放会显著引起去极化、外膜破裂、线粒体通透性转换孔开放、细胞色素C丢失等，并触发细胞的死亡通路[25]。然而，细胞膜较低程度的去极化可通过降低ROS的含量而使细胞免受损害和死亡，因此阻止了线粒体Ca²⁺超载和转换孔的开放[26]。线粒体K_ATP通道可能通过上游p53拮抗剂使细胞免受凋亡[26,27]。脓毒症时线粒体K_ATP通道相关的机制在整个病理生理过程中所起的作用程度尚不清楚。

5. K_ATP通道和脓毒症有关的研究

5.1 体内实验

关于脓毒症时K_ATP通道研究的体内证据主要来自麻醉的内毒素血症大鼠、狗和猪。格列本脲可迅速恢复血压，主要由于全身血管阻力的增加而非心输出量的效应[28]。在短期（3小时）和长期（24小时）暴露于内毒素后，格列本脲亦可增加血管加压素对α₁-肾上腺激动剂的反应[29]。格列本脲对对照组动物没有作用，表明脓毒症时K_ATP通道首先开放，且为低血压和血管低反应性的潜在原因。这可解释内毒素处理后对药物性通道激活剂的反应性增加[30]。用皮质激素如地塞米松预处理可抑制K_ATP通道功能的增强、血管低反应性和格列本脲的加压反应[30]。这可能与地塞米松抑制通道亚单位表达和/或调节表达的介质合成有关。事实上，在内毒素处理的大鼠的横膈中Kir6.1的mRNA和蛋白表达增加，在24-48小时达到最高值。类似地，Kir6.1基因表达在实验性结肠炎中上调22倍[31]。因此，K_ATP通道表达增加是代谢性应激的共同特征，脓毒症时此效应有益或有害尚需测定。据动物研究推测，通道表达降低为脓毒症患者应用糖皮质激素的基础[32]。

由于近来对脓毒性休克患者的安慰剂对照研究发现格列本脲对血压没有作用且不需要去甲肾上腺素，K_ATP通道参与脓毒症的相关血管障碍的机制已遭到质疑。

5.2体外研究

使用体外器官浸浴模型发现存在血管低反应性[15]。实验所用动脉环取自脓毒症/内毒素血症动物或浸浴于内毒素的健康对照动物的血管。血管收缩性降低表现为对儿茶酚胺类血管收缩剂的剂量-反应曲线变得平坦，张力的强度和最大值降低。由于内毒素血症时iNOS表达于血管的全层，内毒素诱导体外无内皮的静脉的血管低反应性的持续能力并不足为奇[33]。

K_ATP通道和较少程度上的大电导钙激活钾（BK_Ca）通道的异常开放可引起取自暴露于内毒素6小时之久的大鼠的肠系膜动脉和主动脉的膜超极化增加[34]。同时若不通过抑制孔关闭K_ATP通道的药物（PNU-37883A和钡）几乎可完全恢复对α₁-肾上腺激动剂（苯肾上腺素）的张力[12]。到20小时时，逆转低血压的效应降低，表明额外的机制引起低反应性和/或对收缩性器官的不可逆损伤。同样地，在内毒素诱导的低反应性的体内和体外模型中，KCOs引起的舒张效应亦被加强，表明血管平滑肌中K_ATP通道的功能上调[15]。

脓毒症的死亡率很高，但其病理生理机制尚未完全阐明。在实验动物中阐明的机制亦需进一步在人类进行验证。脓毒症时许多机制与K_ATP通道的过度激活有关，包括血管低反应性。然而，通道的开放还可提供一定的细胞保护作用。这使K_ATP通道的作用更加扑朔迷离。用通道抑制剂进行治疗干预仍为一有前途的选择，但用特定的通道抑制剂而非SUR抑制剂靶定脉管系统在脓毒症的治疗时更为合适。脓毒症时K_ATP通道究竟是起保护作用还是有害作用尚需进一步实验来更好地阐明。通过这方面的研究可开发出组织特异性的、具有靶定调节通道功能的作用的药物。这不仅对脓毒症患者有益，对其他病理状态可能亦有一定作用。

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